CN111332424A - 一种升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法，涉及船类配件领域，包括如下步骤：步骤一；控制器接受传感器信号，进行模式匹配；步骤二；根据匹配到的模式进行模式运作；初始状态下，艉翼收回到艇体艉部自由表面；在零航速或低航速下，采取拍动艉翼的阻尼增稳模式，复合艉翼通过绕垂直翼轴转动，驱动翼面，使其以大攻角拍动水流；在中航速状态下，复合艉翼执行升力增稳方式，两个艉翼绕水平翼轴展开至艇体两侧水下，与来流形成攻角，在水面下绕垂直翼轴进行攻角往复调节的运动；在高航速状态下，复合艉翼采取升力减阻增稳模式，两个艉翼绕水平翼轴收拢至艇体尾部，同时在自由面绕垂直翼轴进行调节攻角运动。

Description

一种升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法

技术领域

本发明涉及船类配件领域，特别是涉及一种升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法。

背景技术

水面移动机器人即水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)，具有自主导航和自主避障的能力，同时它也是一个可在复杂海洋环境中执行各种军用和民用任务的智能化平台。水面无人艇在很大程度上摆脱了需要人在极端环境条件下进行工作的限制。多年的经验告诉我们：伴随海洋开发和各种工作使命的日益增加，未来无人艇需要在更多海况下完成日趋复杂的各项任务。保持无人艇在海上的稳定尤其重要，主要是减少横摇。现在最有效的方式就是减摇艉翼，目前船舶采取的减摇艉翼减摇增稳方式分为两类：升力增稳方式和阻尼增稳方式。常规减摇艉翼采用的是一种升力减摇方式。因为升力的大小取决于来流的速度，所以在中高航速情况下，常规减摇艉翼能表现出优秀的减摇能力；但在系泊或低航速状态下，却几乎不能够提供稳定力矩，而导致失去减摇效果。新型低/零航速减摇艉翼技术则采用阻尼减摇增稳方式，通过转轴快速驱动艉翼面，使其以大攻角快速拍动水流，从而在艉翼面上产生反作用力，获得抗横摇力矩。但是局限性在于它只能在低速和系泊状态下实现减摇增稳作用，在中高速状态下不能提供有效的减摇增稳效果。将已有的减摇艉翼装置应用于无人艇上存在以下亟待解决的问题:功能单一化导致减摇艉翼在大范围航速应用下的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法，以解决上述现有技术存在的问题，使减摇艉翼可以适应大范围航速应用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法，该方法所采用系统包括控制单元、动力传动部分、执行机构和测试传感器部分；控制单元包括控制器，动力传动部分包括电机和传动系统，执行机构包括减摇增稳用的一对艉翼，测试传感器部分包括装在艉翼上的位置传感器和装在无人艇上的速度传感器；该方法包括如下步骤：

步骤一；控制器接受传感器测得的速度和艉翼的角度信息，进行模式匹配：阻尼增稳模式、升力增稳模式或升力减阻增稳模式；

步骤二；根据匹配到的模式通过驱动传动系统进行相应的模式运作，实现无人艇的减摇增稳；在初始状态下，艉翼收回到艇体艉部自由表面；在零航速或低航速下，采取拍动艉翼的阻尼增稳模式，复合艉翼通过绕垂直翼轴转动，驱动翼面，使其以大攻角拍动水流，从而在艉翼面上产生反作用力，获得抗横摇力矩；

在中航速状态下，复合艉翼执行升力增稳方式，两个艉翼绕水平翼轴展开至艇体两侧水下，与来流形成攻角，在水面下绕垂直翼轴进行攻角往复调节的运动；

在高航速状态下，复合艉翼采取升力减阻增稳模式，左右两个艉翼绕水平翼轴收拢至艇体尾部，同时在自由面绕垂直翼轴进行调节攻角运动。

可选的，两个艉翼为对称翼型的复合艉翼；两个艉翼均能够分别实现绕水平翼轴和绕垂直翼轴运动。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明基于双轴联动系统，可以实现水面机器人艉翼多种运动模式的切换，也是水上机器人高耐波性和高稳定性的来源，可以实现水面机器人的全航速减摇。本发明采用全航速增稳模式，有利于实现水面机器人在执行多种任务下时多航速减摇需求。低速状态下的拍动模式依靠阻力来减少船体的横摇，高速航行状态下的翼的收回和小攻角转动既提高了船体稳定性，也在一定程度上减少了船的兴波阻力，有利于艇的高速航行，减少燃料的消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法所采用系统框架图；

图2为本发明的升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法的模式匹配图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法，以解决上述现有技术存在的问题，使减摇艉翼可以适应大范围航速应用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明涉及到的名词解释为；减摇艉翼：减摇艉翼又称侧舵，装于船中两舷舭部，剖面为机翼形。常规减摇艉翼采用的是一种升力减摇方式。根据机翼理论产生升力，在工作时给艉翼面一定的攻角，当较高流速的水流过减摇艉翼时，由于翼面自身形状和攻角的作用，翼面的上下表面会产生压力差，这个压力差就是升力。附体阻力：附体阻力，是指水对附体(如舵、舭龙骨、轴包架等)作用而增加船舶航行时的阻力。由摩擦阻力和涡流阻力组成。其大小与附体的尺寸、数量、形状以及它们和船体的相对位置有关。兴波阻力：兴波阻力，是指船舶航行时兴起重力波引起的阻力。其值除与船长、船型和船舶航行方式有关外，还随航速而增大，高速船兴波阻力可占总阻力50％左右。

本发明旨在提出一种升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法，主要包括低速和系泊状态下的阻尼增稳模式，中速状态下的升力增稳模式和高速状态下的升力减阻模式，来实现水面机器人在全速下的稳定航行。

本发明所采用系统中的水面机器人复合艉翼采用对称翼型，左右两个艉翼都可以分别实现绕水平翼轴和绕垂直翼轴运动。此运动模式基于双轴联动系统，可以实现水面机器人艉翼多种运动模式的切换，也是水上机器人高耐波性和高稳定性的来源，可以实现水面机器人的全航速减摇。

如图1所示，基于此运动模式的系统包括依次电连接的控制单元、动力传动部分、执行机构和测试传感器部分。控制单元包括控制器，动力传动部分包括电机和传动系统，执行机构是减摇增稳用的一对艉翼，测试传感器部分包括装在艉翼上的位置传感器和装在无人艇上的速度传感器；两个艉翼结构相同，分别采用两套电机和传动系统驱动，控制器也分别单独设置，便于灵活操控，图中以标号1和2加以区分。

本发明升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法如图2所示，控制器接受速度传感器和位置传感器测得的速度和艉翼的角度信息，进行模式匹配：阻尼增稳模式、升力增稳模式和升力减阻增稳模式。根据匹配到的模式通过驱动传动系统进行相应的模式运作，驱动艉翼按各模式的工作状态工作，来实现无人艇的减摇增稳目的。工作过程中，位置传感器将信号实时传输到控制器，控制器根据接收到的信号随时灵活调整工作模式。

本发明应用在水面机器人上的组合增稳模式的运动模式主要为：在初始状态下，艉翼收回到艇体艉部近自由表面。在零航速或低航速下，采取拍动艉翼的阻尼增稳模式，复合艉翼通过绕垂直翼轴转动，快速驱动翼面，使其以大攻角快速拍动水流，从而在艉翼面上产生反作用力，获得抗横摇力矩。在中航速状态下，复合艉翼执行升力增稳模式，左右两个艉翼绕水平翼轴展开至艇体两侧水下，与来流形成一定的攻角，在水面下绕垂直翼轴进行攻角往复调节的运动，由于上下表面的压力差，会在两个艉翼的表面产生大小相等、方向相反的对偶力，提供横摇回复力矩。在高航速状态下，复合艉翼采取升力减阻增稳模式，左右两个艉翼绕水平翼轴收拢至艇体尾部，增加艇体长度、改善尾流和减少兴波阻力，同时在近自由面绕垂直翼轴进行小范围调节攻角运动，提供附加水动升力和一定的纵倾回复力矩，增加纵摇及垂荡运动的阻尼和恢复系数。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法，其特征在于：包括控制单元、动力传动部分、执行机构和测试传感器部分；控制单元包括控制器，动力传动部分包括电机和传动系统，执行机构包括减摇增稳用的一对艉翼，测试传感器部分包括装在艉翼上的位置传感器和装在无人艇上的速度传感器；该方法包括如下步骤：

步骤一；控制器接受传感器测得的速度和艉翼的角度信息，进行模式匹配：阻尼增稳模式、升力增稳模式或升力减阻增稳模式；

步骤二；根据匹配到的模式通过驱动传动系统进行相应的模式运作，实现无人艇的减摇增稳；在初始状态下，艉翼收回到艇体艉部自由表面；在零航速或低航速下，采取拍动艉翼的阻尼增稳模式，复合艉翼通过绕垂直翼轴转动，驱动翼面，使其以大攻角拍动水流，从而在艉翼面上产生反作用力，获得抗横摇力矩；

在中航速状态下，复合艉翼执行升力增稳方式，两个艉翼绕水平翼轴展开至艇体两侧水下，与来流形成攻角，在水面下绕垂直翼轴进行攻角往复调节的运动；

在高航速状态下，复合艉翼采取升力减阻增稳模式，左右两个艉翼绕水平翼轴收拢至艇体尾部，同时在自由面绕垂直翼轴进行调节攻角运动。

2.根据权利要求1所述的升阻联用模式的水面机器人全航速减摇增稳方法，其特征在于：两个艉翼为对称翼型的复合艉翼；两个艉翼均能够分别实现绕水平翼轴和绕垂直翼轴运动。

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